KR20210129982A - Container type power generation fuel cell system - Google Patents

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KR20210129982A
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서준석
강정탁
손용두
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현대자동차주식회사
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Abstract

The present invention relates to a container-type power generation fuel cell system, which is capable of integrated management of multiple stack modules. The container-type power generation fuel cell system comprises: a container with doors formed on one or both sides; a plurality of stack modules which is provided in the container, and in which fuel cell stacks are stacked and connected, and the fuel cell stacks are detachably connected; a fuel supply line connected to a fuel supply device outside the container, inserted into the container, and connected to each fuel cell stack to supply hydrogen and air, which are fuel gases; an exhaust line forming a flow path through which exhaust gas generated from the fuel cell stack flows, and discharging the exhaust gas to the outside of the container; a coolant circulation line which is connected to exchange heat with the fuel cell stack and in which the coolant flows; and a power converter converting a DC voltage generated in the stack module into an AC voltage.

Description

컨테이너형 발전용 연료전지 시스템{CONTAINER TYPE POWER GENERATION FUEL CELL SYSTEM}Container-type fuel cell system for power generation {CONTAINER TYPE POWER GENERATION FUEL CELL SYSTEM}

본 발명은 연료전지 스택이 적층되어 스택모듈을 구성하고, 다수의 스택모듈의 통합 관리가 가능하도록 컨테이너를 구축하여 대용량의 전력을 생산할 수 있는 컨테이너형 발전용 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a container-type fuel cell system for power generation in which a fuel cell stack is stacked to form a stack module, and a container is constructed to enable integrated management of a plurality of stack modules to produce a large amount of power.

기존의 대규모 발전의 경우 주로 기계적 회전력에 의한 전자기 유도방식에 의한 발전과정으로 이루어졌다. 에너지 변환 과정에서 에너지 손실이 발생하고 부산물에 의한 환경오염의 문제가 발생하였다. In the case of the existing large-scale power generation, the power generation process was mainly made by the electromagnetic induction method by mechanical rotational force. In the process of energy conversion, energy loss occurred and the problem of environmental pollution by by-products occurred.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 차세대 에너지 변환장치로 각광받는 것이 연료전지 발전시스템이다. 연료전지는 화석연료를 대체할 주 에너지원인 수소를 이용한 에너지 변환장치이다. 에너지 변환 효율이 매우 높고, 유해한 생성물이 없어 친환경적이며 에너지원이 되는 수소와 산소가 무한하여 에너지원의 고갈 문제가 없어 차세대 에너지 변환장치로 각광받고 있다. In order to solve this problem, a fuel cell power generation system is spotlighted as a next-generation energy conversion device. A fuel cell is an energy conversion device using hydrogen, which is the main energy source to replace fossil fuels. The energy conversion efficiency is very high, there are no harmful products, and it is eco-friendly, and there is no problem of depletion of energy sources because hydrogen and oxygen, which are energy sources, are infinite.

발전용 연료전지 시스템은 다양한 규모로 설치되어 전기와 열을 공급할 수 있다. 일반적으로 발전용 연료전지는 출력이 25kW 이상이며 장치형으로 운전되는 연료전지를 의미한다. 차량용 연료전지를 발전용으로 활용하기 위해서는 별도의 연료공급장치, 냉각장치, 전력변환장치, 제어기 등으로 구성된 설비가 요구된다.Fuel cell systems for power generation can be installed in various sizes to supply electricity and heat. In general, a fuel cell for power generation means a fuel cell that has an output of 25 kW or more and is operated in a device type. In order to utilize a vehicle fuel cell for power generation, a facility consisting of a separate fuel supply device, a cooling device, a power conversion device, and a controller is required.

특히, 차량용 연료전지의 경우 다양한 환경에서 차량이 구동되므로 성능저하가 발생할 확률이 높으며, 일정 성능 이하로 떨어지면 차량용으로 사용하기 어렵게 된다. 이러한 차량용 연료전지를 발전용 연료전지로 활용할 수 있는 시스템의 구축이 필요한 실정이다.In particular, in the case of a fuel cell for a vehicle, since the vehicle is driven in various environments, there is a high probability of performance degradation, and when the performance falls below a certain level, it becomes difficult to use for a vehicle. It is necessary to construct a system that can utilize such a fuel cell for a vehicle as a fuel cell for power generation.

본 발명은 연료전지 스택을 적층하여 스택모듈을 구성하고, 다수의 스택모듈로 이루어져 필요에 따라 다양한 용량으로 발전할 수 있고, 특히 차량용 연료전지를 발전용 연료전지로 활용할 수 있는 시스템을 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide a system in which a fuel cell stack is stacked to form a stack module, and a plurality of stack modules can generate power in various capacities as needed, and in particular, a fuel cell for a vehicle can be used as a fuel cell for power generation. .

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 도어가 일측 또는 양측에 형성된 컨테이너; 컨테이너의 내부에 마련되고, 연료전지 스택이 적층되어 연결되며, 연료전지 스택은 착탈식으로 분리가능하게 연결된 복수의 스택모듈; 컨테이너 외부의 연료공급장치와 연결되어 컨테이너 내부로 삽입되고, 각각의 연료전지 스택에 연결되어 연료가스인 수소와 공기를 공급하는 연료공급라인; 연료전지 스택에서 발생한 배기가스가 흐르는 유로를 형성하고, 배기가스를 컨테이너 외부로 배출하는 배출라인; 연료전지 스택과 열교환되도록 연결되고, 내부에 냉각수가 흐르는 냉각수 순환라인; 및 스택모듈에서 발생한 직류전압을 교류전압으로 변환하는 전력변환장치;를 포함하여 복수의 스택모듈의 통합관리가 가능한 컨테이너형 발전용 연료전지 시스템이다.The present invention for achieving the above object is a container formed on one side or both sides of the door; A plurality of stack modules provided in the container, the fuel cell stacks are stacked and connected, and the fuel cell stack is detachably and detachably connected; a fuel supply line connected to a fuel supply device outside the container, inserted into the container, and connected to each fuel cell stack to supply hydrogen and air, which are fuel gases; a discharge line forming a flow path through which exhaust gas generated from the fuel cell stack flows, and discharging the exhaust gas to the outside of the container; a cooling water circulation line connected to heat exchange with the fuel cell stack and flowing therein; and a power conversion device for converting a DC voltage generated in the stack module into an AC voltage; and a container-type fuel cell system for integrated management of a plurality of stack modules, including.

연료전지 스택은 차량용 연료전지 파워트레인일 수 있다.The fuel cell stack may be a fuel cell powertrain for a vehicle.

스택모듈은 연료전지 스택이 적층될 수 있는 프레임을 포함하고, 프레임 상호간 연결될 수 있다.The stack module includes a frame on which fuel cell stacks can be stacked, and the frames can be interconnected.

연료전지 스택은 상호간 직렬로 연결될 수 있다고, 복수의 스택모듈은 상호간 병렬로 연결될 수 있다.The fuel cell stack may be connected in series with each other, and a plurality of stack modules may be connected in parallel with each other.

또한, 스택모듈, 연료공급라인, 냉각수 순환라인, 전력변환장치와 전기적으로 연결되어 상태를 감지하고 동작을 제어하며, 스택모듈을 선택적으로 가동할 수 있도록 제어하는 제어기;를 더 포함할 수 있다.In addition, the stack module, the fuel supply line, the coolant circulation line, and a controller electrically connected to the power converter to sense the state, control the operation, and control the stack module to selectively operate; may further include.

제어기는 적어도 하나 이상의 컨테이너와 연결되어 복수의 컨테이너를 통합 제어할 수 있다.The controller may be connected to at least one container to collectively control the plurality of containers.

또한, 냉각수 순환라인은 냉각수의 압력을 일정하게 유지하는 팽창탱크를 포함할 수 있다.In addition, the cooling water circulation line may include an expansion tank for maintaining a constant pressure of the cooling water.

또한, 컨테이너 외측에는 컨테이너 내부 공조기능을 수행하는 방폭팬이 마련될 수 있다.In addition, an explosion-proof fan performing an air conditioning function inside the container may be provided outside the container.

연료공급라인은 연료전지 스택에 수소를 공급하는 수소공급라인 및 공기공급라인으로 구성되고, 수소공급라인에는 수소의 유량을 제어하는 밸브가 마련될 수 있다.The fuel supply line is composed of a hydrogen supply line and an air supply line for supplying hydrogen to the fuel cell stack, and a valve for controlling a flow rate of hydrogen may be provided in the hydrogen supply line.

공기공급라인은 연료전지 스택으로 공기를 유입시키는 블로어를 포함할 수 있다.The air supply line may include a blower for introducing air into the fuel cell stack.

냉각수 순환라인에는 냉각수를 냉각하는 열교환기가 마련될 수 있다.A heat exchanger for cooling the cooling water may be provided in the cooling water circulation line.

컨테이너 내부에 마련되어 서로 다른 전선을 연결하고, 전선의 경로를 배치하는 터미널 블록;을 더 포함할 수 있다.It may further include; a terminal block provided inside the container for connecting different wires and arranging the routes of the wires.

본 발명에 따른 컨테이너형 발전용 연료전지 시스템에 의할 경우 제한된 면적에서 구성요소가 모두 마련되고, 적절한 배치구조를 가짐으로써 안정적으로 전력을 생산할 수 있는 시스템을 구축할 수 있는 효과가 있다.In the case of the container-type fuel cell system for power generation according to the present invention, all components are provided in a limited area, and by having an appropriate arrangement structure, it is possible to construct a system capable of stably producing electric power.

또한, 수소에 의한 폭발 위험성을 제거하기 위한 방폭구조를 가짐으로써 안정성이 우수한 효과가 있다.In addition, by having an explosion-proof structure for removing the risk of explosion by hydrogen, there is an effect of excellent stability.

또한, 차량용 연료전지를 발전용 연료전지로 활용할 수 있으며, 특히 차량용으로 수명이 다한 연료전지를 활용함으로써 연료전지의 추가 수명 확보가 가능한 장점이 있다.In addition, a fuel cell for a vehicle can be used as a fuel cell for power generation, and in particular, there is an advantage that an additional lifespan of the fuel cell can be secured by using a fuel cell that has reached the end of its lifespan for a vehicle.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨테이너형 발전용 연료전지 시스템의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 컨테이너형 발전용 연료전지 시스템의 스택모듈의 사시도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 컨테이너형 발전용 연료전지 시스템의 컨테이너 내부를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 컨테이너형 발전용 연료전지 시스템의 구성을 연결관계를 나타내는 도면이다.1 is a perspective view of a container-type fuel cell system for power generation according to an embodiment of the present invention.
2 is a perspective view of a stack module of a container-type fuel cell system for power generation according to an embodiment of the present invention.
3 and 4 are views illustrating the inside of a container of a container-type fuel cell system for power generation according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating a connection relationship of the configuration of a container-type fuel cell system for power generation according to an embodiment of the present invention.

본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. Specific structural or functional descriptions of the embodiments of the present invention disclosed in the present specification or application are only exemplified for the purpose of describing the embodiments according to the present invention, and the embodiments according to the present invention may be implemented in various forms. and should not be construed as being limited to the embodiments described in the present specification or application.

본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. Since the embodiment according to the present invention can have various changes and can have various forms, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the present specification or application. However, this is not intended to limit the embodiment according to the concept of the present invention with respect to a specific disclosed form, and should be understood to include all changes, equivalents or substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by describing preferred embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings. Like reference numerals in each figure indicate like elements.

본 발명은 연료전지 스택(210)을 연결하여 대용량 발전이 가능하도록 컨테이너(100) 내부에 구축되는 컨테이너형 발전용 연료전지 시스템에 관한 발명이다.The present invention relates to a container-type fuel cell system for power generation built inside the container 100 to enable large-capacity power generation by connecting the fuel cell stack 210 .

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨테이너형 발전용 연료전지 시스템의 사시도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 컨테이너형 발전용 연료전지 시스템은 컨테이너(100)가 마련되고, 그 내부에 발전을 위한 구성요소들이 내장되어 통합적 관리가 가능한 것을 특징으로 한다.1 is a perspective view of a container-type fuel cell system for power generation according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1 , the container-type fuel cell system for power generation according to an embodiment of the present invention is characterized in that a container 100 is provided, and components for power generation are built-in therein, so that integrated management is possible.

컨테이너(100)의 일측 또는 양측에는 개폐가능한 도어(110)가 형성될 수 있다. 도어(110)를 개방하여 컨테이너(100) 내부에 출입이 가능하여 관리가 가능하고, 시스템을 가동하는 경우 도어(110)를 폐쇄하여 시스템을 안정적으로 운영할 수 있다.An openable and openable door 110 may be formed on one or both sides of the container 100 . By opening the door 110, access to the inside of the container 100 is possible, so management is possible, and when the system is operated, the system can be stably operated by closing the door 110.

또한, 컨테이너(100)의 일측에는 방폭팬(120)이 마련될 수 있다. 방폭팬(120)은 컨테이너(100) 내부의 공조기능을 수행할 수 있다. 컨테이너(100) 내부의 폭발위험을 제거할 수 있도록 충분한 용량의 모터와 팬으로 구성될 수 있다.In addition, an explosion-proof fan 120 may be provided on one side of the container 100 . The explosion-proof fan 120 may perform an air conditioning function inside the container 100 . It may be composed of a motor and a fan of sufficient capacity to remove the risk of explosion inside the container 100 .

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 컨테이너형 발전용 연료전지 시스템의 스택모듈(200)의 사시도이다. 도 2는 스택모듈(200)을 개념적으로 도시한 도면으로 다른 구성요소들을 생략하였으며, 본 발명은 도면의 구체적인 구조에 제한되지 않는다.2 is a perspective view of a stack module 200 of a container-type fuel cell system for power generation according to an embodiment of the present invention. 2 is a diagram conceptually illustrating the stack module 200, and other components are omitted, and the present invention is not limited to the specific structure of the drawings.

스택모듈(200)은 컨테이너(100) 내부에 마련되는 발전장치로, 발전 최소 단위에 해당한다. 스택모듈(200)은 연료전지 스택(210)이 적층되는 구조로 구성되고, 컨테이너(100) 내부에 마련되어 전기와 물을 생산할 수 있다. 연료전지 스택(210)은 연료극과 공기극, 전해질층으로 구성될 수 있으며, 연료가스인 수소와 공기를 공급받아 전기, 물, 열을 생산할 수 있다. 연료전지 스택(210)의 연료극과 공기극에서 발생하는 반응식은 다음과 같다.The stack module 200 is a power generation device provided inside the container 100 and corresponds to the smallest unit of power generation. The stack module 200 has a structure in which the fuel cell stack 210 is stacked, and is provided inside the container 100 to produce electricity and water. The fuel cell stack 210 may be composed of an anode, a cathode, and an electrolyte layer, and may be supplied with hydrogen and air, which are fuel gases, to produce electricity, water, and heat. A reaction equation occurring at the fuel electrode and the cathode of the fuel cell stack 210 is as follows.

[연료극에서의 반응식] H2 → 2H+ + 2e- [Equation at the fuel electrode] H 2 → 2H + + 2e -

[공기극에서의 반응식] 1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O[Reaction formula at cathode] 1/2O 2 + 2H+ + 2e - → H 2 O

[전체 반응식] H2 + 1/2O2 → H2O[Overall Reaction Scheme] H2 + 1/2O 2 → H 2 O

본 명세서에서는 스택모듈(200)에서 전기와 열에너지를 생산하기 위한 반응물인 수소와 산소를 연료가스로 정의하여 설명하기로 한다. 산소의 경우 순수한 산소가 아닌 대기의 공기가 스택모듈(200)로 공급되고 공기중에 포함된 산소가 반응물로 사용된다. 순수한 산소는 연료전지 시스템의 효율을 높일 수 있지만, 산소 저장에 따른 비용과 무게가 증가하는 문제가 있다. 따라서, 공기 중에 산소가 많이 포함되어 있으므로, 공기를 공급한다.In this specification, hydrogen and oxygen, which are reactants for generating electricity and thermal energy in the stack module 200 , will be defined and described as fuel gases. In the case of oxygen, atmospheric air, not pure oxygen, is supplied to the stack module 200, and oxygen contained in the air is used as a reactant. Pure oxygen can increase the efficiency of the fuel cell system, but there is a problem in that the cost and weight of oxygen storage increase. Therefore, since a lot of oxygen is contained in the air, air is supplied.

스택모듈(200)을 구성하는 연료전지 스택(210)은 도 2에 도시된 바와 같이 적층구조로 연결될 수 있다. 스택모듈(200)은 연료전지 스택(210)이 적층될 수 있는 프레임(220)을 포함할 수 있다. 프레임(220)의 각 층에는 연료전지 스택(210)이 내장되고, 연료전지 스택(210) 상호간 연결되어 스택모듈(200)을 구성할 수 있다. 연료전지 스택(210)은 착탈식으로 분리가능하게 연결될 수 있어서, 프레임(220)에서 쉽게 분리 가능하다. 따라서, 연료전지 스택(210)이 노후화되거나 수명이 다하면 분리하여 교체가 가능하므로 전체 시스템의 관리가 용이한 효과를 가질 수 있다.The fuel cell stack 210 constituting the stack module 200 may be connected in a stacked structure as shown in FIG. 2 . The stack module 200 may include a frame 220 on which the fuel cell stack 210 can be stacked. A fuel cell stack 210 may be built in each layer of the frame 220 , and the fuel cell stack 210 may be connected to each other to configure the stack module 200 . The fuel cell stack 210 may be detachably and detachably connected, and thus may be easily detached from the frame 220 . Accordingly, since the fuel cell stack 210 can be separated and replaced when the fuel cell stack 210 is aged or expires, it is possible to easily manage the entire system.

스택모듈(200)을 구성하는 각각의 연료전지 스택(210)은 상호간 전기적으로 직렬 연결될 수 있다. 즉, 프레임(220)에 적층되고 상호간 직접 연결되어 하나의 스택모듈(200)이 형성되는 것이다. 연료전지 스택(210)이 직렬로 적층되어 나타낼 수 있는 전위차가 증가하여 전체 발전 용량이 증가될 수 있다. Each of the fuel cell stacks 210 constituting the stack module 200 may be electrically connected in series to each other. That is, one stack module 200 is formed by being stacked on the frame 220 and directly connected to each other. A potential difference that can be represented by stacking the fuel cell stack 210 in series may increase, thereby increasing the total power generation capacity.

또한, 스택모듈(200)을 구성하는 연료전지 스택(210)은 차량용 연료전지 파워트레인일 수 있다. 연료전지 차량을 구동하는 연료전지 파워트레인을 연결하여 발전용 연료전지로 사용할 수 있게 된다. 차량용 연료전지 파워트레인을 적층하여 스택모듈(200)을 구성하는 것이다.In addition, the fuel cell stack 210 constituting the stack module 200 may be a fuel cell powertrain for a vehicle. It can be used as a fuel cell for power generation by connecting a fuel cell powertrain that drives a fuel cell vehicle. The stack module 200 is configured by stacking a fuel cell power train for a vehicle.

차량은 다양한 환경에서 구동되기 때문에 차량용 연료전지는 발전용 연료전지에 비해 성능 저하가 발생할 가능성이 높다. 초기 성능대비 일정수준 이하로 성능이 저하된 차량용 연료전지를 스택모듈(200)에 장착하여 발전용 연료전지로 사용할 수 있으므로 에너지 효율을 증가시킬 수 있는 효과를 가진다. 특히, 차량용으로 수명이 다한 연료전지 파워트레인을 발전용으로 활용할 수 있으므로 연료전지의 추가 수명을 확보할 수 있는 효과를 가지는 것이다. 차량용 연료전지 파워트레인을 사용하는 경우 프레임(220)이 연결을 위한 전용 프레임(220)으로 구비될 수 있어 단순한 조립만으로 연결이 가능할 수 있다.Since the vehicle is driven in various environments, there is a high possibility that the performance of the vehicle fuel cell will deteriorate compared to the fuel cell for power generation. Since the fuel cell for a vehicle whose performance has decreased to a certain level or less compared to the initial performance can be used as a fuel cell for power generation by mounting the stack module 200 in the stack module 200 , it is possible to increase energy efficiency. In particular, since a fuel cell powertrain whose lifespan has expired for a vehicle can be used for power generation, it has the effect of securing an additional lifespan of the fuel cell. When a fuel cell power train for a vehicle is used, the frame 220 may be provided as a dedicated frame 220 for connection, so that connection may be possible only by simple assembly.

도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 컨테이너형 발전용 연료전지 시스템의 컨테이너(100) 내부를 나타내는 도면이다. 도 3은 컨테이너(100)를 위에서 바라본 모습을 나타내는 도면이고, 도 4는 컨테이너(100)를 측면에서 바라본 모습을 나타내는 도면이다.3 and 4 are views showing the inside of the container 100 of the container-type fuel cell system for power generation according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 is a view showing the container 100 as viewed from above, and FIG. 4 is a view showing the container 100 as viewed from the side.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 컨테이너형 발전용 연료전지 시스템은 연료공급라인(300), 배기라인(400), 냉각수 순환라인(500), 전력변환장치(700), 제어기(800)를 포함할 수 있다.3 and 4 , the container type fuel cell system for power generation according to an embodiment of the present invention includes a fuel supply line 300 , an exhaust line 400 , a coolant circulation line 500 , and a power conversion device 700 . ), a controller 800 may be included.

연료공급라인(300)은 스택모듈(200)을 구성하는 각각의 연료전지 스택(210)에 연결되어 연료가스인 수소와 공기가 공급되는 유로이다. 연료공급라인(300)은 컨테이너(100) 외부의 연료공급장치와 연결되고, 컨테이너(100) 내부로 삽입된 후 각각의 연료전지 스택(210)에 연결되어 연료가스를 공급할 수 있다. The fuel supply line 300 is connected to each fuel cell stack 210 constituting the stack module 200 and is a flow path through which hydrogen and air, which are fuel gases, are supplied. The fuel supply line 300 may be connected to a fuel supply device outside the container 100 , and may be connected to each fuel cell stack 210 after being inserted into the container 100 to supply fuel gas.

배기라인(400)은 연료전지 스택(210)에서 발생한 배기가스가 흐르는 유로이다. 배기가스란 연료전지 스택(210)에서 반응 후 남은 연료가스를 의미한다.The exhaust line 400 is a flow path through which exhaust gas generated from the fuel cell stack 210 flows. The exhaust gas refers to the fuel gas remaining after the reaction in the fuel cell stack 210 .

연료전지 시스템은 연료전지 스택(210)의 활성화 반응손실과 내부저항 손실을 고려하여 실제 반응양보다 많은 연료가스를 공급한다. 연료전지 스택(210)은 셀이 적층되어 있는 구조이기 때문에 100%의 화학 반응이 이루어지지 않고, 각 셀을 지나는 연료가스의 유속, 분포 등을 적절히 유지하고, 매니폴드의 유동 저항 등을 고려하여 이론적으로 반응에 필요한 당량의 연료가스보다 많은 양의 연료가스가 유입된다. 따라서, 연료전지 스택(210)에서 반응 후 남은 연료가스는 배기라인(400)을 통해 외부로 배출된다. The fuel cell system supplies more fuel gas than the actual reaction amount in consideration of the activation reaction loss and the internal resistance loss of the fuel cell stack 210 . Since the fuel cell stack 210 has a structure in which cells are stacked, 100% chemical reaction does not occur, and the flow rate and distribution of fuel gas passing through each cell are properly maintained, and the flow resistance of the manifold is taken into consideration. Theoretically, a larger amount of fuel gas is introduced than the equivalent amount of fuel gas required for the reaction. Accordingly, the fuel gas remaining after the reaction in the fuel cell stack 210 is discharged to the outside through the exhaust line 400 .

냉각수 순환라인(500)은 내부에 냉각수가 흐르는 유로이다. 냉각수 순환라인(500)은 연료전지 스택(210)과 열교환되도록 연결된다. 연료전지 스택(210)에서 일어나는 상기 반응식은 발열반응으로 반응이 일어나면서 연료전지 스택(210)의 온도가 상승하게 된다. 냉각수 순환라인(500)을 흐르는 냉각수가 연료전지 스택(210)과 열교환되어 연료전지 스택(210)의 온도를 조절할 수 있다. The cooling water circulation line 500 is a flow path through which the cooling water flows. The coolant circulation line 500 is connected to heat exchange with the fuel cell stack 210 . The reaction equation occurring in the fuel cell stack 210 is an exothermic reaction, and the temperature of the fuel cell stack 210 is increased. The coolant flowing through the coolant circulation line 500 may heat exchange with the fuel cell stack 210 to adjust the temperature of the fuel cell stack 210 .

냉각수 순환라인(500)은 컨테이너(100) 내부를 순환하는 내부순환라인(520)과 컨테이너(100) 외부를 순환하는 외부순환라인(510)으로 구성될 수 있다. 내부순환라인(520)은 스택모듈(200)을 구성하는 각각의 연료전지 스택(210)과 열교환되도록 연결된다. 외부순환라인(510)은 내부순환라인(520)과 연결되어 컨테이너(100)로 냉각수가 공급되거나 배출되는 유로가 된다.The cooling water circulation line 500 may include an internal circulation line 520 circulating inside the container 100 and an external circulation line 510 circulating outside the container 100 . The internal circulation line 520 is connected to heat exchange with each fuel cell stack 210 constituting the stack module 200 . The external circulation line 510 is connected to the internal circulation line 520 to serve as a flow path through which cooling water is supplied or discharged to the container 100 .

또한, 냉각수 순환라인(500)에는 열교환기(540)가 마련될 수 있다. 열교환기(540)는 승온된 냉각수를 냉각시키는 기능을 수행할 수 있다. 냉각된 냉각수는 냉각수 순환라인(500)을 통해 다시 연료전지 스택(210)과 열교환될 수 있다.In addition, a heat exchanger 540 may be provided in the cooling water circulation line 500 . The heat exchanger 540 may perform a function of cooling the heated coolant. The cooled coolant may exchange heat with the fuel cell stack 210 again through the coolant circulation line 500 .

또한, 냉각수 순환라인(500)에는 팽창탱크(530)가 마련될 수 있다. 팽창탱크(530)는 냉각수가 열 팽창에 의하여 압력이 증가하는 것을 방지하는 기능을 수행할 수 있다. 따라서 시스템 가동중에 냉각수가 지속적으로 일정 압력을 유지하게 된다.In addition, an expansion tank 530 may be provided in the cooling water circulation line 500 . The expansion tank 530 may function to prevent the coolant from increasing in pressure due to thermal expansion. Therefore, the coolant maintains a constant pressure continuously during system operation.

전력변환장치(700)는 스택모듈(200)의 출력전압을 계통에 연계하기 위하여 직류에서 교류로 변환하는 장치이다. 도 3을 참조하면, 전력변환장치(700)는 고용량의 전기장치 이므로, 방폭을 위하여 컨테이너(100) 내부에서 격벽에 의해 구획되어 마련될 수 있다. The power converter 700 is a device that converts the output voltage of the stack module 200 from direct current to alternating current in order to link it to the grid. Referring to FIG. 3 , since the power conversion device 700 is a high-capacity electric device, it may be partitioned by a partition wall inside the container 100 for explosion-proof.

제어기(800)는 컨테이너(100) 내부의 발전 시스템을 전반적으로 제어하는 장치이다. 제어기(800)는 스택모듈(200), 방폭팬(120), 연료공급라인(300), 냉각수 순환라인(500), 전력변환장치(700)와 전기적으로 연결되어 각각의 상태를 감지하고 제어하는 기능을 수행한다. 제어기(800)는 각각의 스택모듈(200)을 제어하여 스택모듈(200)을 선택적으로 가동할 수 있다. 스택모듈(200)마다 직류전압을 교류전압으로 변환하기 위하여 인버터(710)가 연결될 수 있고, 수배전반(900)이 마련될 수 있다.The controller 800 is a device for overall controlling the power generation system inside the container 100 . The controller 800 is electrically connected to the stack module 200, the explosion-proof fan 120, the fuel supply line 300, the coolant circulation line 500, and the power conversion device 700 to detect and control each state. perform the function The controller 800 may selectively operate the stack modules 200 by controlling each stack module 200 . An inverter 710 may be connected to each stack module 200 to convert a DC voltage into an AC voltage, and a switchgear 900 may be provided.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 컨테이너형 발전용 연료전지 시스템은 터미널 블록(600)을 더 포함할 수 있다. 도 4를 참조하면, 터미널 블록(600)은 컨테이너(100) 내부에 스탠드 형으로 설치될 수 있다. 스택모듈(200)을 구성하는 연료전지 스택(210)에서 생산된 전력이 하나로 합쳐져 인버터(710)에서 변환된다. 스택모듈(200)에서 대응되는 인버터(710)로 전력을 보내기 위해 전선이 합쳐지는 지점에 터미널 블록(600)이 마련되어 전선을 하나로 합칠 수 있게 된다. 또한, 제어기(800)에서 각각의 스택모듈(200)로 연결되거나 전력변환장치(700)로 연결되는 통신라인이 터미널 블록(600)에 의하여 적절한 경로로 배치될 수 있다. 터미널 블록(600)에 의해 내부 공간의 효율적인 관리가 가능하게 되는 것이다.In addition, the fuel cell system for container-type power generation according to an embodiment of the present invention may further include a terminal block 600 . Referring to FIG. 4 , the terminal block 600 may be installed in a stand type inside the container 100 . Electric power produced by the fuel cell stack 210 constituting the stack module 200 is combined into one and converted in the inverter 710 . In order to transmit power from the stack module 200 to the corresponding inverter 710, a terminal block 600 is provided at the point where the wires are merged, so that the wires can be combined into one. In addition, a communication line connected from the controller 800 to each stack module 200 or connected to the power conversion device 700 may be disposed in an appropriate path by the terminal block 600 . Efficient management of the internal space is possible by the terminal block 600 .

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 컨테이너형 발전용 연료전지 시스템의 구성을 연결관계를 나타내는 도면이다. 5 is a diagram illustrating a connection relationship of the configuration of a container-type fuel cell system for power generation according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 복수의 스택모듈(200)은 상호간 전기적으로 병렬 연결될 수 있다. 연료전지 발전 시스템의 안정성과 신뢰성을 향상시키기 위하여 스택모듈(200)의 정격 전력 이내에서 사용하여 스택모듈(200)의 온도를 일정하게 유지하는 것이 중요하다. 이를 위하여 스택모듈(200)은 상호간 병렬로 연결하는 것이다. 특히, 대용량 발전 시스템에서 병렬 운전 구성이 전체 제어가 간단하고 부하의 균일한 분담이 가능하여 정격 전력을 유지할 수 있는 것이다. 결국 스택모듈(200)을 구성하는 연료전지 스택(210)은 직렬 연결하여 전위차를 확보하고, 스택모듈(200) 상호간은 병렬 연결하여 시스템의 안정성을 확보할 수 있다.Referring to FIG. 5 , a plurality of stack modules 200 may be electrically connected to each other in parallel. In order to improve the stability and reliability of the fuel cell power generation system, it is important to keep the temperature of the stack module 200 constant by using it within the rated power of the stack module 200 . To this end, the stack modules 200 are connected in parallel to each other. In particular, in a large-capacity power generation system, the parallel operation configuration makes the overall control simple and enables the uniform distribution of the load to maintain the rated power. As a result, the fuel cell stack 210 constituting the stack module 200 is connected in series to secure a potential difference, and the stack modules 200 are connected in parallel to ensure system stability.

또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 연료공급라인(300)은 수소공급라인(310) 및 공기공급라인(320)으로 구성될 수 있다. 수소공급라인(310)은 연료전지 스택(210)에 수소를 공급하는 유로이고, 공기공급라인(320)은 연료전지 스택(210)에 공기를 공급하는 유로이다.In addition, as shown in FIG. 5 , the fuel supply line 300 may include a hydrogen supply line 310 and an air supply line 320 . The hydrogen supply line 310 is a flow path for supplying hydrogen to the fuel cell stack 210 , and the air supply line 320 is a flow path for supplying air to the fuel cell stack 210 .

수소공급라인(310)에는 수소의 유량을 제어하는 밸브(311)가 마련될 수 있다. 밸브(311)는 각각의 연료전지 스택(210)으로 유입되는 수소의 유량을 제어할 수 있고, 필요한 경우 수소의 공급을 차단할 수 있다. 시스템의 운전부하에 따라 연료가스인 수소의 유량을 제어함으로써 최적 제어가 가능한 것이다. 밸브(311)는 제어기(800)와 전기적으로 연결되어 제어기(800)에 의해 제어될 수 있다.A valve 311 for controlling the flow rate of hydrogen may be provided in the hydrogen supply line 310 . The valve 311 may control the flow rate of hydrogen flowing into each fuel cell stack 210 , and may block the supply of hydrogen if necessary. Optimal control is possible by controlling the flow rate of hydrogen, which is a fuel gas, according to the operating load of the system. The valve 311 may be electrically connected to the controller 800 to be controlled by the controller 800 .

그리고 공기공급라인(320)에는 블로어(321)가 마련될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 컨테이너형 발전용 연료전지 시스템에 공기를 공급하는 방식은 2가지 방식이 가능하다. 첫째는 연료공급라인(300)을 통해 외부 공기가 유입되어 연료전지 스택(210)으로 직접 유입되는 방법이고, 둘째는 컨테이너(100) 내부의 공기를 연료전지 스택(210)으로 유입시키는 방법이다. 컨테이너(100) 내부의 공기를 연료전지 스택(210)으로 유입시키기 위하여 공기공급라인(320)에는 블로어(321)가 마련될 수 있다.And a blower 321 may be provided in the air supply line 320 . There are two methods of supplying air to the fuel cell system for container-type power generation according to an embodiment of the present invention. The first is a method in which external air is introduced through the fuel supply line 300 and directly flows into the fuel cell stack 210 , and the second is a method in which air inside the container 100 is introduced into the fuel cell stack 210 . A blower 321 may be provided in the air supply line 320 to introduce air inside the container 100 into the fuel cell stack 210 .

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 컨테이너형 발전용 연료전지 시스템은 2개 이상의 컨테이너(100)가 연결되어 통합적인 관리가 가능할 수 있다. 하나의 컨테이너(100)에 마련된 제어기(800)가 적어도 하나 이상의 컨테이너(100)와 연결되어 복수의 컨테이너(100)를 하나의 제어기(800)에 의해 관리할 수 있다. 복수의 컨테이너(100)가 하나의 시스템을 구성함으로써 대량의 전력을 생산할 수 있는 시스템을 구축할 수 있다.In addition, in the container-type fuel cell system for power generation according to an embodiment of the present invention, two or more containers 100 are connected to enable integrated management. A controller 800 provided in one container 100 may be connected to at least one or more containers 100 to manage a plurality of containers 100 by one controller 800 . A system capable of producing a large amount of power may be constructed by configuring a system in which a plurality of containers 100 are configured.

본 발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Although shown and described with respect to specific embodiments of the present invention, it is understood in the art that the present invention can be variously improved and changed without departing from the spirit of the present invention provided by the following claims. It will be obvious to those of ordinary skill in the art.

100 : 컨테이너 110 : 도어
120 : 방폭팬 200 : 스택모듈
210 : 연료전지 스택 220 : 프레임
300 : 연료공급라인 310 : 수소공급라인
311 : 밸브 320 : 공기공급라인
321 : 블로어 400 : 배기라인
500 : 냉각수 순환라인 510 : 외부순환라인
520 : 내부순환라인 530 : 팽창탱크
540 : 열교환기 600 : 터미널 블록
700 : 전력변환장치 710 : 인버터
800 : 제어기100: container 110: door
120: explosion-proof fan 200: stack module
210: fuel cell stack 220: frame
300: fuel supply line 310: hydrogen supply line
311: valve 320: air supply line
321: blower 400: exhaust line
500: cooling water circulation line 510: external circulation line
520: internal circulation line 530: expansion tank
540: heat exchanger 600: terminal block
700: power converter 710: inverter
800: controller

Claims (13)

도어가 일측 또는 양측에 형성된 컨테이너;
컨테이너의 내부에 마련되고, 연료전지 스택이 적층되어 연결되며, 연료전지 스택은 착탈식으로 분리가능하게 연결된 복수의 스택모듈;
컨테이너 외부의 연료공급장치와 연결되어 컨테이너 내부로 삽입되고, 각각의 연료전지 스택에 연결되어 연료가스인 수소와 공기를 공급하는 연료공급라인;
연료전지 스택에서 발생한 배기가스가 흐르는 유로를 형성하고, 배기가스를 컨테이너 외부로 배출하는 배기라인;
연료전지 스택과 열교환되도록 연결되고, 내부에 냉각수가 흐르는 냉각수 순환라인; 및
스택모듈에서 발생한 직류전압을 교류전압으로 변환하는 전력변환장치;
를 포함하여 복수의 스택모듈의 통합관리가 가능한 컨테이너형 발전용 연료전지 시스템.a container with doors formed on one or both sides;
A plurality of stack modules provided in the container, the fuel cell stacks are stacked and connected, and the fuel cell stack is detachably and detachably connected;
a fuel supply line connected to a fuel supply device outside the container, inserted into the container, and connected to each fuel cell stack to supply hydrogen and air, which are fuel gases;
an exhaust line forming a flow path through which exhaust gas generated from the fuel cell stack flows, and discharging the exhaust gas to the outside of the container;
a cooling water circulation line connected to heat exchange with the fuel cell stack and flowing therein; and
a power converter for converting a DC voltage generated in the stack module into an AC voltage;
Container-type fuel cell system for power generation capable of integrated management of a plurality of stack modules, including 청구항 1에 있어서,
연료전지 스택은 차량용 연료전지 파워트레인인 것을 특징으로 하는 컨테이너형 발전용 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
The fuel cell stack is a container type fuel cell system for power generation, characterized in that it is a fuel cell powertrain for a vehicle. 청구항 1에 있어서,
스택모듈은 연료전지 스택이 적층될 수 있는 프레임을 포함하고, 프레임 상호간 연결되는 것을 특징으로 하는 컨테이너형 발전용 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
The stack module includes a frame in which fuel cell stacks can be stacked, and the frames are interconnected. 청구항 1에 있어서,
연료전지 스택은 상호간 직렬로 연결된 것을 특징으로 하는 컨테이너형 발전용 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
The fuel cell stack is a container type fuel cell system for power generation, characterized in that it is connected in series with each other. 청구항 1에 있어서,
복수의 스택모듈은 상호간 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 컨테이너형 발전용 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
A container-type fuel cell system for power generation, characterized in that a plurality of stack modules are connected in parallel to each other. 청구항 1에 있어서,
스택모듈, 연료공급라인, 냉각수 순환라인, 전력변환장치와 전기적으로 연결되어 상태를 감지하고 동작을 제어하며, 스택모듈을 선택적으로 가동할 수 있도록 제어하는 제어기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 컨테이너형 발전용 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
Container further comprising: a controller electrically connected to the stack module, the fuel supply line, the coolant circulation line, and the power converter to sense the state, control the operation, and selectively operate the stack module A fuel cell system for power generation. 청구항 6에 있어서,
제어기는 적어도 하나 이상의 컨테이너와 연결되어 복수의 컨테이너를 통합 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 컨테이너형 발전용 연료전지 시스템.7. The method of claim 6,
The controller is connected to at least one container to control the plurality of containers in an integrated manner. 청구항 1에 있어서,
냉각수 순환라인은 냉각수의 압력을 일정하게 유지하는 팽창탱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 컨테이너형 발전용 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
The fuel cell system for a container type power generation, characterized in that the coolant circulation line includes an expansion tank that maintains a constant pressure of the coolant. 청구항 1에 있어서,
컨테이너 외측에는 컨테이너 내부 공조기능을 수행하는 방폭팬이 마련된 것을 특징으로 하는 컨테이너형 발전용 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
A container-type fuel cell system for power generation, characterized in that an explosion-proof fan performing an air conditioning function inside the container is provided on the outside of the container. 청구항 1에 있어서,
연료공급라인은 연료전지 스택에 수소를 공급하는 수소공급라인 및 공기공급라인으로 구성되고,
수소공급라인에는 수소의 유량을 제어하는 밸브가 마련된 것을 특징으로 하는 컨테이너형 발전용 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
The fuel supply line is composed of a hydrogen supply line and an air supply line that supply hydrogen to the fuel cell stack,
A container-type fuel cell system for power generation, characterized in that a valve for controlling the flow rate of hydrogen is provided in the hydrogen supply line. 청구항 10에 있어서,
공기공급라인은 연료전지 스택으로 공기를 유입시키는 블로어를 포함하는 것을 특징으로 하는 컨테이너형 발전용 연료전지 시스템.11. The method of claim 10,
The air supply line is a container type fuel cell system for power generation, characterized in that it includes a blower for introducing air into the fuel cell stack. 청구항 1에 있어서,
냉각수 순환라인에는 냉각수를 냉각하는 열교환기가 마련된 것을 특징으로 하는 컨테이너형 발전용 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
A container type fuel cell system for power generation, characterized in that a heat exchanger for cooling the coolant is provided in the coolant circulation line. 청구항 1에 있어서,
컨테이너 내부에 마련되어 서로 다른 전선을 연결하고, 전선의 경로를 배치하는 터미널 블록;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 컨테이너형 발전용 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
Container type fuel cell system for power generation, characterized in that it further comprises a; terminal block provided inside the container for connecting different wires and arranging the routes of the wires.
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